Sólido Líquido Gasoso

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1 Medição de Temperatura. Conceitos Iniciais: Calor: Energia em trânsito que é transferida de um sistema a outro em virtude da diferença de temperatura entre eles. Sistema: é a quantidade de matéria ou massa de uma substância. Estados da Matéria. As substancia em condições normais de temperatura e pressão (CNTP) se apresentam na natureza em um dos seguintes estados físicos: Sólido: apresentam formas e volumes definidos Líquido: apresentam forma indefinida e volume definido. Gasoso: não apresentam nem forma nem volumes definidos. Gás: apresentam estado gasoso nas CNTP. Vapor: apresentam estado gasoso em função de determinadas condições. Mudança de Estado. Sublimação Fusão Vaporização Sólido Líquido Gasoso Solidificação Condensação Ressublimação Fusão Ao atingir determinada temperatura, as moléculas do sólido aumentam a agitação, rompendo sua estrutura passando a ter movimento característico de líquidos. Vaporização Passagem do estado liquido para o gasoso. Pode ser de duas formas: Ebulição: passagem turbulenta de líquido para gasoso, acontece em uma determinada temperatura, chamada de temperatura de ebulição do líquido. Evaporação: passagem lenta de líquido para gasoso que acontece à temperatura ambiente. Condensação A substância no estado gasoso, vai perdendo calor até atingir a temperatura em que as agitações de suas moléculas diminuem, até que tenham comportamento de um líquido. 34

2 Solidificação O resfriamento de um líquido diminui cada vez mais a agitação das moléculas, até que em determinada temperatura esta agitação passa a ter característica de sólido. Sublimação passagem direta do estado sólido para o gasoso. Ressublimação passagem direta do estado gasoso para o sólido. Transferência de Calor. O calor e transferido de um sistema a outro de três formas: Condução: É o processo em que o calor flui de uma região de mais alta temperatura para outra região de mais baixa temperatura, molécula a molécula. Ex. a ponta de uma colher metálica é colocada no fogo em alguns instantes a outra ponta também se aquece. Calor Radiação. A transferência de calor é através de ondas eletromagnéticas. O calor é transferido mesmo que as substâncias estejam separadas por vácuo. Ex. O calor do Sol que chega a Terra, ou o calor emitido por uma lâmpada incandescente. Convecção: a transferência de calor se dá através do deslocamento de matéria. Ocorre nos líquidos e gases. 35

3 A massa de líquido mais quente do fundo sobe e a massa mais fria da superfície desce, formando as correntes de convecção Termometria Escalas de temperatura Escala Celsius: Utiliza divisão centesimal, o que facilita a leitura. Para determinar a escala o termômetro é colocado em contato com gelo fundente e água e a altura da substância são indicadas como 0 C. O mesmo termômetro é colocado em contato com água em ebulição e a altura da substância é indicada como 100 C. O intervalo entre eles e dividido em cem partes iguais (1 C cada) Escala Fahrenheit: O ponto de fusão do gelo corresponde a 32 F e o ponto de ebulição da água corresponde a 212 F. O intervalo entre essas temperaturas é dividido em 180 F. 100 C 212 F C F C θ C 180 F θ F θ C C θ F F θ C -0 θ F C 32 F 0 32 Desse modo, podemos estabelecer a relação entre as duas escalas (Celsius-Farenheit). Para um mesmo deslocamento da substância termométrica, temos: 36

4 θc θ F 32 = θc = ( θ F 9 32) θ C Temperatura em C θ F Temperatura em F Escala Kelvin: As escalas Celsius e Fahrenheit são conhecidas como escalas relativas, pois o zero não significa ausência de agitação molecular. Na escala Kelvin (escala absoluta) o zero corresponde ao zero absoluto que é a mínima temperatura que um corpo pode atingir, onde não há agitação molecular. Relação Celsius/Kelvin: o zero absoluto corresponde a 273 C, com isso é simples a passagem da escala Celsius para Kelvin, basta adicionar ou subtrair 273. TK = θ C Escala Rankine. Possui o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua divisão é idêntica à escala Fahrenheit. Exercícios: 1. A temperatura média do corpo humano é 36 o C. Determine o valor dessa temperatura na escala Fahrenheit e Kelvin. 2. Lê-se no jornal que a temperatura em certa cidade da Rússia atingiu, no inverno, o valor de 14 o F. Qual o valor dessa temperatura na escala Celsius? 3. Um termômetro graduado na escala Fahrenheit, acusou, para a temperatura ambiente em um bairro de Belo Horizonte, 77 o F. Expresse essa temperatura na escala Celsius e Kelvin. 4. Dois termômetros graduados, um na escala Fahrenheit e outro na escala Celsius, registram o mesmo valor numérico para a temperatura quando mergulhados num líquido. Determine a temperatura desse líquido. Escala Internacional de Temperatura. Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada em fenômenos de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em condições únicas de temperatura e pressão (pontos fixos de temperatura). 37

5 Pontos fixos de temperatura Termômetros à Dilatação de Líquidos. Os materiais líquidos se dilatam com o aquecimento e contraem-se com o resfriamento, segundo uma lei de expansão volumétrica à qual relaciona seu volume com a temperatura e um coeficiente de dilatação que é próprio de cada material. V T = V 0.[1 + β 1 T + β 2 ( T)² + β 1 ( T)³] 38

6 T = T T 0 Variação de temperatura (temperatura final temperatura inicial) V 0 = volume inicial na temperatura inicial (T 0 ) V T = volume final na temperatura T β 1 ; β 2 ; β 3 coeficiente de dilatação do líquido [ C -1 ] A relação não é linear, porém como os termos de segunda e terceira ordem são despresíveis, na prática podemos considerar linear. V T = V 0.(1 + β T) Obs: nas bibliografias de Física o coeficiente de dilatação volumétrico é representado pela letra grega gama (δ). Os tipos de termômetros de líquido podem variar conforme sua construção: - Recipiente de vidro transparente. - Recipiente metálico. Termômetros à Dilatação de Líquido em Recipiente de Vidro Transparente. São compostos por recipiente (bulbo) contendo o líquido de dilatação e um capilar de vidro. Com o aumento da temperatura o líquido de dilatação dilata subindo dentro do capilar, o inverso acontece ocorrendo o resfriamento. Os líquidos mais usados são álcool, querosene, tolueno e mercúrio. A expansão ou contração do líquido em espaço determinado é função da relação entre o diâmetro do furo do capilar e o volume do bulbo do termômetro. Para elaborar uma escala de termômetros, devem-se definir no mínimo dois pontos de temperatura no capilar. Líquidos utilizados em termômetros de vidro. 39

7 Os termômetros de escala interna: são constituídos de tubo invólucro que faz com que a escala, que pode ser de vidro ou metal, fique embutida em seu interior. Durante o processo de sopração do vidro, são necessariamente submetidos a um processo de 40

8 "chanframento", que tem por finalidade evitar que ocorram trincas no vidro, à medida que ele for sendo trabalhado e também como medida preventiva contra acidentes. "Chanfrar", neste processo, significa aquecer a extremidade do vidro, que conserva a aspereza devido ao corte pela serra, no fogo de forma que a parte cortante seja eliminada e resulte um pequeno reforço na extremidade. A "sopração" consiste principalmente em emendar os vidros do capilar com o bulbo e tubo quando pertinente, com a utilização de maçaricos e do sopro, e fazer alargamento nos furos dos capilares a fim de que eles se tomem câmaras de retenção ou expansão do líquido condutor. As câmaras de retenção são necessárias quando a escala não inicia em O C (zero graus Celsius) e sim em pontos superiores, tais como: 50 C, 100 C, etc. Se não fosse adotado este procedimento, o comprimento desses instrumentos ficaria exagerado. Câmaras de expansão são sopradas em quase todos os termômetros de líquido em vidro. Sua principal finalidade é permitir que o líquido possa ultrapassar o limite superior da escala graduada sem que o bulbo estoure. Serve também para juntar fracionamentos que podem ocorrer na coluna de líquido. Após a conclusão do processo de sopração, o vidro, para retomar ao seu estado de equilíbrio, necessita de um recozimento, assim o instrumento é submetido a um tratamento térmico por aproximadamente 60 horas, em um fomo, a uma temperatura predeterminada por modelo de vidro. A fase seguinte é o enchimento. Por meio de um sistema de vácuo, o líquido é colocado dentro do termômetro de forma que o bulbo e o orifício do capilar fiquem totalmente preenchidos. O excesso é retirado a uma determinada altura, que é definida pela localização da escala, e a extremidade superior do capilar fechada. Após a conclusão desta operação, o termômetro é encaminhado para o laboratório em que é executada a calibração, isto é, por meio da utilização de banhos, cada um específico para oscilar a uma determinada temperatura, e com o auxílio de padrões, os pontos são assinalados no capilar ou tubo de vidro por meio de um risquinho. Os pontos de calibração servem de parâmetro para definir a localização e o tamanho da escala. O processo de calibração é fator de grande importância na precisão dos termômetros. Padrões são instrumentos que exigem calibrações periódicas, normalmente realizadas por órgãos ligados a RBC (Rede Brasileira de Calibração) ou órgãos certificadores internacionalmente reconhecidos. O setor de gravação faz a impressão da escala no vidro, que só acontece depois que o trabalho todo for executado na cera, isto é, traçado e números são marcados na cera, e o instrumento mergulhado no ácido fluorídrico que ataca o vidro, formando um baixo relevo. A cera é retirada e posteriormente é passada uma camada de tinta, que fica retida nas cavidades, fazendo com que a escala fique estampada nitidamente. A impressão da escala é feita em pantógrafos e é automatizada. A numeração nos termômetros de escala externa é feita com normógrafos manuais, chamados internamente de numeradoras. As escalas de vidro são numeradas com a utilização de carimbos. Em termômetros com temperaturas até 150 C, também utilizamos o processo de impressão por meio de serigrafia. 41

9 Em termômetros de escala interna é necessário que a escala seja afixada em seu interior de forma que ela não sofra deslocamento. Para isso são utilizados vários métodos, presilhas metálicas, cortiças ou arames. A etapa fabril é concluída na inspeção final. Então são realizados testes dimensionais, visuais, de resistência e temperatura. Em termômetros regidos por normas específicas, são feitas avaliações e registros individuais. Nos termômetros de precisão menos acentuada, os testes são realizados por amostragem e o registro feito por lote. Esses registros são mantidos em arquivo por um determinado período. Correção da Coluna Emersa Os termômetros até aqui descritos são projetados para serem utilizados com imersão total ou parcial. É importante que sejam colocados em uso nas mesmas condições em que foram calibrados. Caso contrário, os erros podem ultrapassar os limites estabelecidos. Os termômetros com imersão parcial são identificados por uma marcação no capilar em forma de traço, círculo, anel de vidro ou por meio de uma inscrição no verso, ou ainda, quando o instrumento for 42

10 constituído de uma haste mais fina que o corpo. Esses termômetros de imersão parcial devem ser imersos no banho na altura indicada. Termômetros calibrados com imersão total devem ser imersos à medida que a temperatura for alterando, deixando fora do banho o ponto desejado. A utilização dos termômetros em imersões adversas das especificadas é possível, porém é necessária a aplicação de uma correção obtida por meio da seguinte equação: CCI = k.c e (T b T m ) CCI correção de coluna imersa K coeficiente diferencial de expansão do líquido e do vidro. C e coluna emergente (número de graus emergentes no banho). T b temperatura do banho. T m temperatura média observada na coluna emersa. 43

11 Tubos de Bourbon utilizados como elementos de medição Os materiais mais usados na confecção desse tipo de termômetros são: - Bronze ferroso - Cobre - Berílio - Aço inox - Aço carbono. 44

12 Pelo fato desse sistema utilizar líquido inserido num recipiente e a distância entre o elemento sensor e o bulbo ser considerável, as variações na temperatura ambiente afetam não somente o líquido no bulbo, mas todo o sistema (bulbo, capilar e sensor), causando erro de indicação ou registro. Este efeito da temperatura ambiente é compensado de duas maneiras que são denominadas classe 1 A e classe 1B. Compensação classe 1B: Nesse sistema a compensação é feita somente no sensor, por meio de uma lâmina bimetálica. Esse sistema é normalmente preferido por ser mais simples, porém o comprimento máximo do capilar para esse sistema de compensação é de aproximadamente seis metros. Compensação classe 1A: esse ssistema de compensação é usado quando esta distância for maior que 6m. A compensação é feita no sensor e no capilar, por meio de um segundo capilar ligado a um elemento de compensação idêntico ao de medição, sendo os dois ligados em oposição. O segundo capilar tem comprimento idêntico ao capilar de medição, porém não está ligado a um bulbo. Aplicação. Geralmente é aplicado na indústria para medição e registro, pois permite leituras remotas e por ser o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição de temperatura, entretanto, por ter um tempo de resposta relativamente grande não é recomendável para controle (mesmo usando fluído trocador de calor entre bulbo e poço de proteção para diminuir este atraso).. O poço se proteção permite manutenção do termômetro com o processo de operação. 45

13 Termômetros à pressão de gás. Características. O gás mais utilizado é o N 2 e geralmente é confinado no termômetro a uma pressão de 20 a 50 atm. A utilização do nitrogênio permite medir uma faixa de temperatura de 100 C a 600 C, sendo o limite inferior devido à própria temperatura crítica do gás e o superior proveniente de o recipiente apresentar maior permeabilidade ao gás nesta temperatura, o que acarretaria sua perda, inutilizando o termômetro. Gás Hélio (He) Hidrogênio (H 2 ) Nitrogênio (N 2 ) Dióxido de carbono (CO 2 ) Temperatura crítica -267,8 C -239,9 C -147,1 C -31,1 C 46

14 Termômetro à pressão de vapor. METROLOGIA INDUSTRIAL Assim como o anterior, também possui uma construção muito semelhante ao termômetro de dilatação de líquidos, cujo funcionamento é baseado na lei de Dalton: A pressão de vapor saturado depende somente da sua temperatura e não de seu volume. Portanto, para qualquer variação de temperatura haverá uma variação na tensão de vapor do gás liquefeito colocado no bulbo do termômetro e, em conseqüência disto, uma variação na pressão dentro do capilar. - P 1 P 2 C P 1 e P 1 P = P 2 2 4,58 Termômetro à dilatação de sólidos (termômetros bimetálicos). Este tipo de termômetro é baseado no fenômeno da flexão térmica. Uma flexão térmica ocorre sempre que se justapõem duas lamina metálicas de materiais diferentes, portanto de coeficientes de dilatação diferentes, fixando-as uma a outra. A flexão dar-se-á para o lado do metal que tiver o menor coeficiente de dilatação. A flexão térmica específica é representada por f ε. 47

15 Características construtivas. 48

16 Termômetros Elétricos de Contato. Classificam-se em 2 tipos: - Termômetros de resistência ou termorresistência. - Termoelementos ou termopares. Termômetros de Resistência. Baseia-se na variação do valor da resistência elétrica de um condutor metálico em função da temperatura: R T = R 0.(1 + α.t) R T = Resistência elétrica na temperatura T. R 0 = Resistência elétrica na temperatura de 0 C. α = coeficiente de variação da resistência em função da temperatura. T Temperatura. Um estudo mais detalhado mostra que α varia com a temperatura, e esse fato deve ser considerado nos termômetros de resistência, principalmente quando eles são usados para medição em temperaturas acima de 100 C. Metais Utilizados. Liga de Rh 99,5%xFe0,5% Cobre Níquel Platina Medida de temperaturas na faixa de 0,5K a 25k, Medidas de temperaturas entre 193,15K a 533,15K. Possui linearidade de 0,1 C em um intervalo de temperatura de 200 C, entretanto sua baixa resistência à oxidação limita a sua faixa de utilização. Medidas de temperatura entre 213,15K a 453,15K. Os principais atrativos são seu baixo custo e alta sensibilidade. Sua principal desvantagem e a baixa linearidade. Medidas de temperatura entre 25K e 1235K. É o metal mais utilizado na construção de termômetros, pela sua ampla faixa de utilização, boa linearidade e melhor resistência a oxidação. Termômetro de Resistência de Platina (padrão):é utilizado como padrão de interpolação na escala internacional de temperatura na faixa de 248 C a 962 C, apresentando grande estabilidade e erro de ±0,0006 C em 0,01 C e erro de ±0,004 C em 420 C. Termômetro de resistência de Platina (Industrial): A platina é contaminada propositalmente com o objetivo de reduzir contaminações posteriores. Sua faixa de utilização vai até 850 C. O erro desses termômetros é relacionado conforme sua fabricação, com modelos de ±0,1% a ±0,5% da faixa de medição 49

17 Ligação de um termômetro de resistência. Para circuitos de medição com termômetros de resistência sempre se faz necessária uma fonte de tensão. A tensão de alimentação normalmente é de 6V. Utilizam-se circuitos de ponte, bem como circuitos de compensação de tensão. Termoelementos e Termopares. Quando dois metais diferentes são unidos de modo a formar uma junção, algumas propriedades elétricas se manifestam em função da temperatura. Ligando o dispositivo formado por dois metais unidos da forma indicada na figura, observamos por meio de um milivoltímetro o aparecimento de uma tensão (fem) que depende da temperatura. Termopares. Se um condutor metálico qualquer for submetido a uma diferença de temperatura entre suas extremidades, será observada uma redistribuição de elétrons, a qual gera uma fem cujo valor depende do tipo de material condutor. + - V 6mV V 10mV + - Juntando os dois condutores a fem gerada é a diferença das medidas individuais. Condutor A + - V 4mV Para medição interligam-se os fios em um dos extremos (ponto de medição), levam-se os outros dois extremos a uma temperatura constante (ponto de referência) e fecha-se o circuito por meio de um aparelho indicador. A tensão medida é relacionada com a diferença de temperatura entre o ponto de medição e o de referência. 50

18 O ponto de referência situa-se geralmente em um local com temperatura constante conhecida, e ligado no ponto de medição por meio de um fio de compensação. Fios de Compensação e de Extensão. Na maioria das aplicações industriais de medição, por meio de termopares, o elementos sensor não se encontra junto ao instrumento receptor. Nestes casos é necessário que o instrumento seja ligado ao termopares por meio de fios que sejam capazes de compensar as possíveis perdas em função da distância do ponto de leitura até o ponto de medição, bem como a ação da temperatura e interferências eletromagnéticas existentes no meio. Pirômetros de Radiação. Todos os corpos com temperatura superior a 0K (-273,15 C) emitem energia. A energia emitida aumenta à medida que a temperatura do objeto aumenta ou seja, transferência de energia térmica por condução de calor ou por convecção. 51

19 O conhecimento desse fato permitiu ao homem construir instrumentos com os quais pudesse fazer medições de temperatura em situações em que o contato não é possível. Assim, medindo a energia térmica emitida pelo corpo, é possível por meio de um processamento de sinal, conhecer a temperatura em que ele se encontra, particularmente se essa energia for infravermelha ou visível. Os vários tipos de energia podem ser caracterizados pela frequência ou comprimento de onda. Assim a zona visível abrange comprimentos de onda entre 0,4µm e 0,7µm e os infravermelhos entre 0,7µm e 20µm. Na prática, o pirômetro de infravermelho comum usa a banda entre 0,5µm e 20µm. Os vários tipos de radiação encontram-se representados abaixo: Espectro de radiação visível e não visível Funcionamento. Os pirômetros de radiação operam essencialmente segundo a lei de Stefan-Boltzmann, que relaciona a radiância térmica de um corpo com sua temperatura (eb = ε.δ.t 4 onde, eb = energia radiante [W/m²]; δ = constante de Stefan-Boltzmann (5,7 X 10-8 WK 4 /m²); T = temperatura em Kelvin; ε = emissividade. A emissividade é o quociente entre a energia que um corpo radia a uma dada temperatura e a energia que o corpo negro radia a essa mesma temperatura. São os sistemas mais simples, pois neles a radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um detector do tipo termopilha ou do tipo semicondutor nos mais modernos, que gera um sinal elétrico no caso da termopilha ou altera o sinal elétrico no caso do semicondutor. 52

20 Esquema genérico de um pirômetro Existem vários tipos de pirômetros de radiação que podem ser englobados em duas classes: - Pirômetros de banda larga; - Pirômetros de banda estreita. Nos primeiros usa-se uma relação exponencial entre a energia total da radiação emitida e a temperatura. Nos segundos usa-se a variação da emissão de energia de radiação monocromática com a temperatura. Dentro dos pirômetros de banda larga encontram-se os pirômetros de radiação total e de infravermelhos. Nesses aparelhos, a radiação proveniente de um objeto é coletada pelo espelho esférico e focada num detector de banda larga D, que emite um sinal, o qual é uma função da temperatura. O valor da temperatura indicado é um valor médio da temperatura dos corpos que se encontram dentro de seu campo de visão, sendo uma característica importante a sua abertura. Detector de banda larga Refletor esférico Sinal de saída O pirômetro de banda estreita clássico é chamado pirômetro óptico. Ele se destina a temperaturas entre 700 e 4000 C. A energia radiante emitida pelo corpo é focada por meio de uma objetiva sobre o filamento de uma lâmpada de incandescência, sendo a imagem do conjunto,, depois de filtrada, observada por um ocular. 53

21 Pirômetro de banda estreita clássica O filtro de absorção destina-se a estender a utilização do pirômetro a temperaturas elevadas. O filtro vermelho efetua a análise espectral numa banda de frequência estreita da zona visível, que é importante para o espectro de radiação correspondente a gama medida do pirômetro. As imagens observadas pela ocular contêm o filamento e o objeto incandescente sobrepostos. Uma vez que não possuem mecanismo de varredura próprio, o deslocamento no campo de visão é realizado pelo usuário que o movimento como um todo. Em geral os pirômetros são portáteis, podendo, entretanto, ser fixos e montados dentro de um processo, como nas aciarias, laminadoras a quente, ou processos de moldagem plástica contínuos, em que é feito controle contínuo da temp-eratura da matéria prima durante seu processo de transformação, nesse caso sendo as leituras controladas por meio de centrais computadorizadas. 54

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